CN101308312A - 一种基于虚共焦的激光冲击波三维标识的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械制造及激光器件领域，其特别适用于既要求不能破坏零件表面状态，又要求具有高防伪性的关键零件的打标与识别，比如航空金属零部件。其将虚共焦激光发生器系统发出的空间分布的均匀激光通过液晶掩模的调制后，经过激光成像放大系统，辐射金属工件的表面，产生激光冲击波，将激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，能直接对金属工件发生塑性变形，可通过改变液晶掩膜的灰度、激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状、激光成像系统的增大系数以及约束层和吸收层，来获取不同时间和空间分布的塑性变形力以实现三维塑性变形，实现激光冲击波打标的三维高防伪性和无损性。

Description

一种基于虚共焦的激光冲击波三维标识的方法和装置

技术领域

本发明涉及机械制造及激光器件领域，特指一种基于虚共焦的激光冲击波三维高防伪无损标识的方法和装置，特别适用于既要求不能破坏零件表面状态，又要求具有高防伪性的关键零件的打标与识别，比如航空金属零部件。

背景技术

现代制造的发展呈现两大趋势，第一是多品种小批量，这是人们物质生活越来越追求个性化的体现。第二航空航天及国防事业的发展，对零件的机械性能要求越来越高，尤其是随着结构重量比的增加，对零件的抗疲劳性能也越来越高，并且需要对这些关键零部件终生服役跟踪。另外，仿造也日益猖獗，冒牌伪劣产品的数量日益增多，造成了巨大的经济损失。这就迫使人们寻找开发新的零件标记和识辨的理论与技术，用来满足日益增长的需求。同时还要求零件的标识具有高防伪性能，以对付日益猖獗的伪造，保护自己的利益。目前，假冒产品不只限于CD盘、服装和化妆品，伪造的药品、婴儿食品、汽车零部件、甚至飞机零部件也越来越多。关于由于使用伪造的飞机零部件而造成的灾难性事故时有报道，可见，现代对零件标识提出了新的要求：非破坏、高防伪、耐久。

零部件的标记与识辨是生产过程中一个不可缺少的重要环节。在早期，油墨标记方式广为使用，但由于易消退不耐久和无防伪功效，目前已经淘汰。钢码压印也是一种在生产车间使用的方式，但存在严重破坏零件表面状态、清晰度不稳定、效率低、不防伪的缺点，也被淘汰了。

利用激光烧蚀热效应的标记方式存在两个主要缺点。第一，激光烧蚀将金属工件的表面材料去除一层，从而破坏了材料表面残余应力状态，形成残余拉应力状态和微细的裂纹。在零件受到交变载荷的状态下，这标记区变成了天然的疲劳源，从而萌生裂纹造成疲劳破坏。第二，防伪性能差。从这点考虑，激光烧蚀热效应打标也不适合这些关键零部件的打标。

美国利弗莫尔国家重点实验室Dance C Brent和Hackel Lloyda等人在2001年申报了激光喷丸打标专利(Identification marking by means of laser peening，Patent Number：Wo0161619，2001-08-23)，也是利用激光冲击波力效应的无损打标，其特点是(1)二维液晶掩膜，不能实现三维标识。(2)零件表面冲击前涂黑漆，然后用水做约束层。操作复杂，不均匀，难以确保标识的高清晰度，不适合空间曲面三维。(3)标记简单，采用二进制编码形成能被条形码机器识别的矩阵标记，不能标记复杂图形，防伪性不是太高。

国内本课题2005年申请的“激光冲击波三维高防伪无损标识的方法和装置(专利号：ZL100357056C)”发明专利将激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，能直接对金属工件发生塑性变形，可通过改变液晶掩膜的灰度、激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状以及不同规格的约束层和吸收层，来获取不同时间和空间分布的塑性变形力以实现三维塑性变形，实现激光冲击波打标的三维高防伪性；并在标记区形成残余压缩应力和较低的表面粗糙度而不烧蚀零件表面，保证了激光冲击波打标的无损性。

上述专利由于脉冲激光的空间分布不均匀、液晶的吸收光谱、液晶本身所具有的灰度、激光冲击液晶的功率密度阈值、靶材表面的激光冲击功率密度偏小以及微纳米量级的激光衍射等因素，给精确的三维打标带来了较大的困难。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于虚共焦的激光冲击波三维高防伪无损标识的方法和装置，解决上述的三维打标技术的技术问题。

一种基于虚共焦的激光冲击波三维高防伪无损标识的方法，虚共焦指全反凹透镜焦点和输出境(凸透镜)的虚焦点在同一点上，将虚共焦激光发生器系统发出的空间分布的均匀激光通过液晶掩膜调制后，经过激光能量放大系统，辐射金属工件的表面，产生激光冲击波，将激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，能直接对金属工件发生塑性变形，可通过改变液晶掩膜的灰度、激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状、激光能量放大系统的放大系数以及不同规格的约束层和吸收层，来获取不同时间和空间分布的塑性变形力以实现三维塑性变形，并在标记区形成残余压缩应力和较低的表面粗糙度而不烧蚀零件表面。

实施本发明方法的装置包括激光发生器系统、液晶掩膜装置、工件夹具系统，液晶掩膜装置包括扩束镜、液晶掩膜、聚焦镜以及控制液晶掩膜的计算机装置；工件夹具系统包括覆盖约束层和吸收层的工件、工件夹具、工作台，其特征在于：激光发生器系统为虚共焦激光发生器系统，按照激光束的方向依次为全反凹透镜、KD*P普克尔盒、偏振镜、钕玻璃棒PA0、输出境和隔离器；激光能量放大系统由一个或数个扩束镜和钕玻璃棒组成，位于液晶掩膜装置之后；液晶掩膜为并行显示模式。

上述装置中，输出境为凸透镜。

本发明方法的特征在于使用虚共焦激光发生器系统发出的空间分布的均匀激光经过液晶掩膜装置，再经激光能量放大系统辐射金属工件的表面，将激光冲击波作为材料发生塑性变形的力源，基于液晶掩膜，采用单次或多次冲击形成所需的标记，具体实施过程如下：

(1)使用虚共焦激光发生器发出的激光，在激光振荡极采用全反凹透镜，在钕玻璃棒后使用凸透镜作为输出镜，全反凹透镜和凸透镜焦点在同一位置，并且输出镜的镀膜系数和钕玻璃棒产生的激光空间分布相逆，产生空间均匀分布的激光束。

(2)根据零件的标记区尺寸和材料，选择约束层和吸收层，并将约束层和吸收层贴在零件表面；

(3)根据标识的要求，调节液晶掩膜每个像素的由红、绿和蓝三基色合成的颜色，绘制出具有灰度的图案，在液晶显示屏上显示出图案而形成液晶掩膜，并由计算机控制液晶掩膜，实现实时快速的图案变换；

(4)根据图案的复杂程度，选择激光工艺参数：脉冲能量5～50焦尔、脉冲宽度20～40纳秒以及激光冲击轨迹和冲击次数1～20次；激光束通过具有灰度图案的液晶掩膜和激光能量放大系统汇聚在工件表面的约束层和吸收层上；吸收层表层汽化、电离、形成等离子体爆炸，产生高幅冲击波，在冲击波力效应的作用下工件表面发生塑性变形。由于液晶显示屏图案的灰度不同，激光束的通过率也不同，这就形成了空间分布也不同的冲击波压力，工件表面材料塑性变形量不同，从而形成三维的标记。

(5)通过激光能量放大系统，将透过液晶掩膜的激光束的能量密度有效放大，达到使金属材料塑性变形的阈值。

本发明的优点是：

1.使用虚共焦激光发生器发出的激光，输出镜的镀膜系数和钕玻璃棒产生的激光空间分布相逆，产生空间均匀分布的激光束，能够减少光路中的空间调制器件，降低空间调制器件的光损耗。

2.通过采用可编程控制的液晶掩膜和激光束的空间调制，实现激光冲击波打标的三维高防伪性。在本发明中，采用液晶显示技术，并制作成具有灰度的液晶图案显示，颜色深浅的不同，其透光率也不同，且连续可变，从而实现了真正的三维打标与微制造。同时由于可实时地进行计算机编程控制，液晶图案实时变换，真正实现了在线快速不同零件的不同标识。通过相应的识别系统就可快速地解码与识辨，这就具备了高防伪性。并根据图案的复杂程度和塑性变形的深浅，决定单次或多次冲击。

3.因为液晶本身具有的灰度，对激光有90％的吸收率，通过液晶后的激光功率密度不能够有效使金属表面产生塑性变形，通过激光能量放大系统，将透过液晶掩膜的激光束的能量密度有效放大，达到使金属材料塑性变形的阈值。

4.通过在金属工件表面覆盖约束层和吸收层，完成对激光冲击区的表面处理，从而实现激光冲击波打标的无损性。由于该贴膜起到两个作用：(1)气化电离爆炸形成冲击波，该冲击波的力效应使工件表层发生塑性变形，(2)保护工件表面不受到热损伤，即在激光束的照射下仅仅一薄层涂层气化，激光产生的热影响深度还不到工件表面，从而确保了工件仅仅受到力作用。

附图说明

图1本发明的装置示意图

I.激光发生器系统  II.液晶掩膜装置  III.激光能量放大系统  IV.工件夹具系统1.全反凹透镜  2.KD*P普克尔盒  3.偏振镜  4.钕玻璃棒PA0  5.输出境  6.隔离器  7.扩束镜A  8.液晶掩膜  9.聚焦镜  10.扩束镜B  11.钕玻璃棒PA12.约束层  13.吸收层  14.工件  15.工作台  16.计算机

具体实施方式

下面结合图1详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

实施本发明方法的装置包括激光发生器系统I、液晶掩膜装置II、激光能量放大系统III、工件夹具系统IV，其特征在于虚共焦激光发生器系统、设有由计算机编程控制的液晶掩膜、激光能量放大系统。虚共焦激光发生器系统包括全反凹透镜1、KD*P普克尔盒2、偏振镜3、钕玻璃棒PA04、输出境(凸透镜)5和隔离器6；液晶掩膜装置包括扩束镜A7、液晶掩膜8、聚焦镜9以及控制液晶掩膜的计算机16；激光能量放大系统包括扩束镜B10和钕玻璃棒PA11；工件夹具系统包括覆盖约束层12、吸收层13的工件14和工作台(含工件夹具)15。

根据零件的标记区尺寸和材料，选择约束层12和吸收层13，并将约束层12和吸收层13贴在工件14表面；根据标识的要求，绘制出具有灰度的图案，在液晶显示屏上显示出图案而形成液晶掩膜，并由计算机16控制液晶掩膜8，实现快速的图案变换；激光发生器产生能量在10～100焦尔、持续时间为8～80纳秒的激光脉冲，激光冲击轨迹和冲击次数1～100次，激光束的光斑模式可以是基模、多模等多种模式。由钕玻璃棒PA04产生的激光束经反凹透镜1、KD*P普克尔盒2、偏振镜3、钕玻璃棒PA04和输出境(凸透镜)5后产生空间均匀分布的激光束，经隔离器6后，经过扩束镜A7的激光束通过液晶掩膜8，经聚焦镜9将液晶掩膜8屏上的图案经过扩束镜B10和钕玻璃棒PA11后将图案有效放大，可以采取多极放大(每一级由扩束镜B10和钕玻璃棒PA11组成)，直到汇聚到零件14表面的约束层12和吸收层13上的激光功率密度大于工件14产生塑性变形的功率密度位置，产生空间分布与图案一致的冲击波作用力，形成能被识辨机器识别的标记，如基本字母、逻辑符、数字矩阵、三维图形等。

Claims (6)

1、一种基于虚共焦的激光冲击波三维高防伪无损标识的方法，其特征在于：将虚共焦激光发生器系统发出的空间分布的均匀激光通过液晶掩膜调制后，经过激光能量放大系统，汇聚在工件表面的约束层和吸收层上，产生激光冲击波，在冲击波力效应的作用下工件表面发生塑性变形，形成所需的三维标识。

2、根据权利要求1所述的一种基于虚共焦的激光冲击波三维高防伪无损标识的方法，其特征在于：通过改变液晶掩膜的灰度、激光脉冲能量、脉冲宽度、脉冲形状、激光能量放大系统的放大系数以及不同规格的约束层和吸收层，来获取不同时间和空间分布的塑性变形力以实现三维塑性变形，并在标记区形成残余压缩应力和较低的表面粗糙度而不烧蚀零件表面。

3、根据权利要求1所述的一种基于虚共焦的激光冲击波三维高防伪无损标识的方法，其特征在于：根据图案的复杂程度，选择激光工艺参数：脉冲能量5～50焦尔、脉冲宽度20～40纳秒以及激光冲击轨迹和冲击次数1～20次。

4、实现权利要求1所述的一种基于虚共焦的激光冲击波三维高防伪无损标识的方法的装置，包括激光发生器系统(I)、液晶掩膜装置(II)、工件夹具系统(IV)，液晶掩膜装置包括扩束镜(7)、液晶掩膜(8)、聚焦镜(9)以及控制液晶掩膜(8)的计算机(16)；工件夹具系统(IV)包括覆盖约束层和吸收层的工件(14)、工作台(15)，工作台含有工件夹具，其特征在于：激光发生器系统(I)为虚共焦激光发生器系统，按照激光束的方向依次为全反凹透镜(1)、KD*P普克尔盒(2)、偏振镜(3)、钕玻璃棒PA0(4)、输出境(5)和隔离器(6)；激光能量放大系统(III)由一个或数个扩束镜(10)和钕玻璃棒(11)组成，位于液晶掩膜装置(II)之后；液晶掩膜(8)为并行显示模式。

5、权利要求4所述的实现权利要求1所述的一种基于虚共焦的激光冲击波三维高防伪无损标识的方法的装置，其特征在于：输出境(5)为凸透镜。

6、根据权利要求4所述的实现权利要求1所述的一种基于虚共焦的激光冲击波三维高防伪无损标识的方法的装置，其特征在于：液晶掩膜(8)的每个像素是由红、绿和蓝三基色合成的颜色。

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